1 境界の差分ノルム
定義 1.1. Ω ⊆ R n \Omega\subseteq\R^n Ω ⊆ R n を有界 Lipschitz 開集合とし、σ \sigma σ を境界測度とする。n ≥ 2 n\geq2 n ≥ 2 のとき、g ∈ L 2 ( ∂ Ω , σ ) g\in L^2(\partial\Omega,\sigma) g ∈ L 2 ( ∂ Ω , σ ) に対して
[ g ] 1 / 2 , ∂ Ω 2 = ∬ ∂ Ω × ∂ Ω ∣ g ( x ) − g ( y ) ∣ 2 ∣ x − y ∣ n d σ ( x ) d σ ( y ) , ∥ g ∥ H 1 / 2 ( ∂ Ω ) 2 = ∥ g ∥ L 2 ( ∂ Ω ) 2 + [ g ] 1 / 2 , ∂ Ω 2 [g]_{1/2,\partial\Omega}^2
=\iint_{\partial\Omega\times\partial\Omega}
\frac{|g(x)-g(y)|^2}{|x-y|^n}\,d\sigma(x)\,d\sigma(y),
\qquad
\|g\|_{H^{1/2}(\partial\Omega)}^2
=\|g\|_{L^2(\partial\Omega)}^2+[g]_{1/2,\partial\Omega}^2 [ g ] 1/2 , ∂ Ω 2 = ∬ ∂ Ω × ∂ Ω ∣ x − y ∣ n ∣ g ( x ) − g ( y ) ∣ 2 d σ ( x ) d σ ( y ) , ∥ g ∥ H 1/2 ( ∂ Ω ) 2 = ∥ g ∥ L 2 ( ∂ Ω ) 2 + [ g ] 1/2 , ∂ Ω 2 とおく。二重積分の被積分関数は対角集合上で零と定める。このノルムが有限な関数の空間を 半次数の境界 Sobolev 空間 (boundary Sobolev space of order one half ) といい、H 1 / 2 ( ∂ Ω ) H^{1/2}(\partial\Omega) H 1/2 ( ∂ Ω ) と書く。
n = 1 n=1 n = 1 のときは、有限個の端点からなる∂ Ω \partial\Omega ∂ Ω 上のすべての複素数値関数の空間をH 1 / 2 ( ∂ Ω ) H^{1/2}(\partial\Omega) H 1/2 ( ∂ Ω ) とし、ノルムを
∥ g ∥ H 1 / 2 ( ∂ Ω ) 2 = ∑ a ∈ ∂ Ω ∣ g ( a ) ∣ 2 \|g\|_{H^{1/2}(\partial\Omega)}^2
=\sum_{a\in\partial\Omega}|g(a)|^2 ∥ g ∥ H 1/2 ( ∂ Ω ) 2 = a ∈ ∂ Ω ∑ ∣ g ( a ) ∣ 2 で定める。
命題 1.2. Ω ⊆ R n \Omega\subseteq\R^n Ω ⊆ R n を有界 Lipschitz 開集合とし、a a a を∂ Ω \partial\Omega ∂ Ω 上の Euclid 距離に関して Lipschitz 連続な複素数値関数とする。このとき、a a a による乗算はH 1 / 2 ( ∂ Ω ) H^{1/2}(\partial\Omega) H 1/2 ( ∂ Ω ) 上の有界線形作用素である。Ω \Omega Ω のみに依存する定数C Ω C_\Omega C Ω が存在して、すべてのg ∈ H 1 / 2 ( ∂ Ω ) g\in H^{1/2}(\partial\Omega) g ∈ H 1/2 ( ∂ Ω ) に対して
∥ a g ∥ H 1 / 2 ( ∂ Ω ) ≤ C Ω ( ∥ a ∥ ∞ + Lip ( a ) ) ∥ g ∥ H 1 / 2 ( ∂ Ω ) \|ag\|_{H^{1/2}(\partial\Omega)}
\leq C_\Omega\bigl(\|a\|_\infty+\operatorname{Lip}(a)\bigr)
\|g\|_{H^{1/2}(\partial\Omega)} ∥ a g ∥ H 1/2 ( ∂ Ω ) ≤ C Ω ( ∥ a ∥ ∞ + Lip ( a ) ) ∥ g ∥ H 1/2 ( ∂ Ω ) が成り立つ。
証明. n = 1 n=1 n = 1 では各端点における∣ a g ∣ ≤ ∥ a ∥ ∞ ∣ g ∣ |a g|\leq\|a\|_\infty|g| ∣ a g ∣ ≤ ∥ a ∥ ∞ ∣ g ∣ を二乗して加えればよい。n ≥ 2 n\geq2 n ≥ 2 とし、Γ = ∂ Ω \Gamma=\partial\Omega Γ = ∂ Ω とおく。Γ = ∅ \Gamma=\varnothing Γ = ∅ ならば主張は成り立つので、Γ ≠ ∅ \Gamma\ne\varnothing Γ = ∅ とする。
有限個のグラフ表示に§E15.12 補題 1.1 を適用する。各グラフ上でd σ ≤ C d x ′ d\sigma\leq C\,dx' d σ ≤ C d x ′ であり、球B ( y , r ) B(y,r) B ( y , r ) の座標超平面への射影は半径r r r の球に含まれる。したがって、すべてのy ∈ Γ y\in\Gamma y ∈ Γ とr > 0 r>0 r > 0 について
σ ( Γ ∩ B ( y , r ) ) ≤ C Ω r n − 1 \sigma(\Gamma\cap B(y,r))\leq C_\Omega r^{n-1} σ ( Γ ∩ B ( y , r )) ≤ C Ω r n − 1 である。D > diam Γ D>\operatorname{diam}\Gamma D > diam Γ として、0 < ∣ x − y ∣ < D 0<|x-y|<D 0 < ∣ x − y ∣ < D を環状領域2 − j − 1 D ≤ ∣ x − y ∣ < 2 − j D 2^{-j-1}D\leq|x-y|<2^{-j}D 2 − j − 1 D ≤ ∣ x − y ∣ < 2 − j D (j ≥ 0 j\geq0 j ≥ 0 )に分けると、
sup y ∈ Γ ∫ Γ ∣ x − y ∣ 2 − n d σ ( x ) ≤ C Ω ∑ j = 0 ∞ 2 − j D < ∞ \sup_{y\in\Gamma}\int_\Gamma|x-y|^{2-n}\,d\sigma(x)
\leq C_\Omega\sum_{j=0}^\infty 2^{-j}D<\infty y ∈ Γ sup ∫ Γ ∣ x − y ∣ 2 − n d σ ( x ) ≤ C Ω j = 0 ∑ ∞ 2 − j D < ∞ を得る。
等式
a ( x ) g ( x ) − a ( y ) g ( y ) = a ( x ) ( g ( x ) − g ( y ) ) + ( a ( x ) − a ( y ) ) g ( y ) a(x)g(x)-a(y)g(y)
=a(x)(g(x)-g(y))+(a(x)-a(y))g(y) a ( x ) g ( x ) − a ( y ) g ( y ) = a ( x ) ( g ( x ) − g ( y )) + ( a ( x ) − a ( y )) g ( y ) の右辺を二項に分けて二乗を評価すると、
[ a g ] 1 / 2 , Γ 2 ≤ 2 ∥ a ∥ ∞ 2 [ g ] 1 / 2 , Γ 2 + 2 Lip ( a ) 2 ∫ Γ ∣ g ( y ) ∣ 2 ( ∫ Γ ∣ x − y ∣ 2 − n d σ ( x ) ) d σ ( y ) . [ag]_{1/2,\Gamma}^2
\leq2\|a\|_\infty^2[g]_{1/2,\Gamma}^2
+2\operatorname{Lip}(a)^2
\int_\Gamma |g(y)|^2\left(\int_\Gamma|x-y|^{2-n}\,d\sigma(x)\right)d\sigma(y). [ a g ] 1/2 , Γ 2 ≤ 2∥ a ∥ ∞ 2 [ g ] 1/2 , Γ 2 + 2 Lip ( a ) 2 ∫ Γ ∣ g ( y ) ∣ 2 ( ∫ Γ ∣ x − y ∣ 2 − n d σ ( x ) ) d σ ( y ) . この評価に∥ a g ∥ 2 ≤ ∥ a ∥ ∞ ∥ g ∥ 2 \|ag\|_2\leq\|a\|_\infty\|g\|_2 ∥ a g ∥ 2 ≤ ∥ a ∥ ∞ ∥ g ∥ 2 を合わせれば、所要の不等式を得る。▨
2 局所座標とトレースの像
定理 2.1. Ω ⊆ R n \Omega\subseteq\R^n Ω ⊆ R n を有界 Lipschitz 開集合とする。n ≥ 2 n\geq2 n ≥ 2 の場合、境界を覆う有限個のグラフ近傍U j U_j U j とグラフ表示
γ j : B j ⟶ ∂ Ω ∩ U j , γ j ( y ′ ) = ( y ′ , φ j ( y ′ ) ) ( 1 ≤ j ≤ N ) \gamma_j:B_j\longrightarrow\partial\Omega\cap U_j,
\qquad \gamma_j(y')=(y',\varphi_j(y'))
\quad(1\leq j\leq N) γ j : B j ⟶ ∂ Ω ∩ U j , γ j ( y ′ ) = ( y ′ , φ j ( y ′ )) ( 1 ≤ j ≤ N ) をとる。各表示では直交座標を選び、B j ⊆ R n − 1 B_j\subseteq\R^{n-1} B j ⊆ R n − 1 は有界開直方体とする。χ j ∈ C c ∞ ( U j ) \chi_j\in C_c^\infty(U_j) χ j ∈ C c ∞ ( U j ) を∑ j χ j = 1 \sum_j\chi_j=1 ∑ j χ j = 1 が境界上で成り立つようにとり、g ∈ L 2 ( ∂ Ω ) g\in L^2(\partial\Omega) g ∈ L 2 ( ∂ Ω ) に対して
h j ( y ′ ) = ( χ j g ) ( γ j ( y ′ ) ) ( y ′ ∈ B j ) , h j ( y ′ ) = 0 ( y ′ ∉ B j ) h_j(y')=(\chi_jg)(\gamma_j(y'))\quad(y'\in B_j),
\qquad h_j(y')=0\quad(y'\notin B_j) h j ( y ′ ) = ( χ j g ) ( γ j ( y ′ )) ( y ′ ∈ B j ) , h j ( y ′ ) = 0 ( y ′ ∈ / B j ) とおく。このとき、g ∈ H 1 / 2 ( ∂ Ω ) g\in H^{1/2}(\partial\Omega) g ∈ H 1/2 ( ∂ Ω ) であることと、すべてのh j h_j h j がH 1 / 2 ( R n − 1 ) H^{1/2}(\R^{n-1}) H 1/2 ( R n − 1 ) に属することは同値であり、
∥ g ∥ H 1 / 2 ( ∂ Ω ) 2 ≍ ∑ j = 1 N ∥ h j ∥ H 1 / 2 ( R n − 1 ) 2 \|g\|_{H^{1/2}(\partial\Omega)}^2
\asymp\sum_{j=1}^N\|h_j\|_{H^{1/2}(\R^{n-1})}^2 ∥ g ∥ H 1/2 ( ∂ Ω ) 2 ≍ j = 1 ∑ N ∥ h j ∥ H 1/2 ( R n − 1 ) 2 が成り立つ。同値定数は固定した座標と切断関数に依存する。
すべてのn ≥ 1 n\geq1 n ≥ 1 について、トレースは有界線形全射
T : H 1 ( Ω ) ⟶ H 1 / 2 ( ∂ Ω ) T:H^1(\Omega)\longrightarrow H^{1/2}(\partial\Omega) T : H 1 ( Ω ) ⟶ H 1/2 ( ∂ Ω ) を定める。さらに、有界線形作用素R : H 1 / 2 ( ∂ Ω ) → H 1 ( Ω ) R:H^{1/2}(\partial\Omega)\to H^1(\Omega) R : H 1/2 ( ∂ Ω ) → H 1 ( Ω ) でT R = id TR=\id T R = id を満たすものが存在し、ker T = H 0 1 ( Ω ) \ker T=H^1_0(\Omega) ker T = H 0 1 ( Ω ) である。
証明. n ≥ 2 n\geq2 n ≥ 2 とし、Γ = ∂ Ω \Gamma=\partial\Omega Γ = ∂ Ω 、d = n − 1 d=n-1 d = n − 1 とおく。空の境界の場合はすべての境界空間が零空間であるから、以下ではΓ ≠ ∅ \Gamma\ne\varnothing Γ = ∅ とする。有限個のグラフ近傍に§E10.47 定理 2.1 を適用すれば、主張の切断関数をとることができる。
f j = χ j g f_j=\chi_jg f j = χ j g とおく。K j = supp χ j ∩ Γ K_j=\supp\chi_j\cap\Gamma K j = supp χ j ∩ Γ はΓ ∩ U j \Gamma\cap U_j Γ ∩ U j のコンパクト部分集合である。したがって、K j K_j K j とΓ ∖ U j \Gamma\setminus U_j Γ ∖ U j の距離、およびγ j − 1 ( K j ) \gamma_j^{-1}(K_j) γ j − 1 ( K j ) とR d ∖ B j \R^d\setminus B_j R d ∖ B j の距離は、それぞれ正である。空の集合に対応する積分は零として扱う。グラフ上では
∣ y ′ − z ′ ∣ ≤ ∣ γ j ( y ′ ) − γ j ( z ′ ) ∣ ≤ 1 + Lip ( φ j ) 2 ∣ y ′ − z ′ ∣ , d x ′ ≤ d σ ≤ C j d x ′ |y'-z'|\leq|\gamma_j(y')-\gamma_j(z')|
\leq\sqrt{1+\operatorname{Lip}(\varphi_j)^2}\,|y'-z'|,
\qquad dx'\leq d\sigma\leq C_j\,dx' ∣ y ′ − z ′ ∣ ≤ ∣ γ j ( y ′ ) − γ j ( z ′ ) ∣ ≤ 1 + Lip ( φ j ) 2 ∣ y ′ − z ′ ∣ , d x ′ ≤ d σ ≤ C j d x ′ が成り立つ。境界測度の比較には§E15.12 補題 1.1 を用いた。したがって、L 2 L^2 L 2 ノルムと、両方の点が同じ座標近傍にある差分積分は、座標変換によって互いに定数倍で評価される。
差分積分の残りの部分では、一方の点がK j K_j K j に属し、他方の点がU j U_j U j の外にある。その寄与は、dist ( K j , Γ ∖ U j ) > 0 \operatorname{dist}(K_j,\Gamma\setminus U_j)>0 dist ( K j , Γ ∖ U j ) > 0 とσ ( Γ ) < ∞ \sigma(\Gamma)<\infty σ ( Γ ) < ∞ によってC j ∥ f j ∥ 2 2 C_j\|f_j\|_2^2 C j ∥ f j ∥ 2 2 以下である。座標側の零延長についても、δ j = dist ( γ j − 1 ( K j ) , R d ∖ B j ) > 0 \delta_j=\operatorname{dist}(\gamma_j^{-1}(K_j),\R^d\setminus B_j)>0 δ j = dist ( γ j − 1 ( K j ) , R d ∖ B j ) > 0 とすれば、
∫ R d ∖ B j d z ′ ∣ y ′ − z ′ ∣ d + 1 ≤ ∫ ∣ z ∣ ≥ δ j d z ∣ z ∣ d + 1 < ∞ ( y ′ ∈ γ j − 1 ( K j ) ) \int_{\R^d\setminus B_j}\frac{dz'}{|y'-z'|^{d+1}}
\leq\int_{|z|\geq\delta_j}\frac{dz}{|z|^{d+1}}<\infty
\quad(y'\in\gamma_j^{-1}(K_j)) ∫ R d ∖ B j ∣ y ′ − z ′ ∣ d + 1 d z ′ ≤ ∫ ∣ z ∣ ≥ δ j ∣ z ∣ d + 1 d z < ∞ ( y ′ ∈ γ j − 1 ( K j )) である。よって§E15.13 命題 3.1 をt = 1 / 2 t=1/2 t = 1/2 に適用すると、
∥ h j ∥ H 1 / 2 ( R d ) 2 ≍ ∥ f j ∥ H 1 / 2 ( Γ ) 2 \|h_j\|_{H^{1/2}(\R^d)}^2
\asymp\|f_j\|_{H^{1/2}(\Gamma)}^2 ∥ h j ∥ H 1/2 ( R d ) 2 ≍ ∥ f j ∥ H 1/2 ( Γ ) 2 を得る。この比較は、両辺が無限大となる場合を含めて成立する。
命題 1.2 により、∑ j ∥ f j ∥ H 1 / 2 ( Γ ) 2 ≤ C ∥ g ∥ H 1 / 2 ( Γ ) 2 \sum_j\|f_j\|_{H^{1/2}(\Gamma)}^2\leq C\|g\|_{H^{1/2}(\Gamma)}^2 ∑ j ∥ f j ∥ H 1/2 ( Γ ) 2 ≤ C ∥ g ∥ H 1/2 ( Γ ) 2 である。逆向きには、g = ∑ j f j g=\sum_j f_j g = ∑ j f j と Cauchy–Schwarz の不等式をL 2 L^2 L 2 項および各差分に適用して
∥ g ∥ H 1 / 2 ( Γ ) 2 ≤ N ∑ j ∥ f j ∥ H 1 / 2 ( Γ ) 2 \|g\|_{H^{1/2}(\Gamma)}^2\leq N\sum_j\|f_j\|_{H^{1/2}(\Gamma)}^2 ∥ g ∥ H 1/2 ( Γ ) 2 ≤ N j ∑ ∥ f j ∥ H 1/2 ( Γ ) 2 を得る。以上から局所ノルムとの同値性が従う。
u ∈ H 1 ( Ω ) u\in H^1(\Omega) u ∈ H 1 ( Ω ) とし、§E15.9 定理 2.2 による全空間への拡張をE u Eu E u とする。各グラフ近傍を
U j = Φ j ( B j × ( − b j , b j ) ) , Φ j ( y ′ , t ) = ( y ′ , φ j ( y ′ ) + t ) U_j=\Phi_j(B_j\times(-b_j,b_j)),\qquad
\Phi_j(y',t)=(y',\varphi_j(y')+t) U j = Φ j ( B j × ( − b j , b j )) , Φ j ( y ′ , t ) = ( y ′ , φ j ( y ′ ) + t ) の形にとり、Ω ∩ U j \Omega\cap U_j Ω ∩ U j がt > 0 t>0 t > 0 に対応するように座標を選ぶ。局所ノルムの同値性は任意の固定した座標系で成立するので、この選択でよい。w j = ( χ j E u ) ∘ Φ j w_j=(\chi_jEu)\circ\Phi_j w j = ( χ j E u ) ∘ Φ j をB j × ( − b j , b j ) B_j\times(-b_j,b_j) B j × ( − b j , b j ) の外で零に延長する。§E15.9 補題 1.2 と積の弱微分公式により、w j w_j w j はこの筒でH 1 H^1 H 1 に属する。w j w_j w j の台は筒の内部にコンパクトに含まれるので、零延長後もH 1 ( R n ) H^1(\R^n) H 1 ( R n ) に属し、
∥ w j ∥ H 1 ( R n ) ≤ C j ∥ u ∥ H 1 ( Ω ) \|w_j\|_{H^1(\R^n)}\leq C_j\|u\|_{H^1(\Omega)} ∥ w j ∥ H 1 ( R n ) ≤ C j ∥ u ∥ H 1 ( Ω ) である。零延長の弱微分は、台の近傍で1 1 1 となる切断関数を試験関数に掛けることで、筒内の弱微分の零延長と一致する。
§E15.13 定理 6.1 をs = 1 s=1 s = 1 に適用すると、w j ( ⋅ , 0 ) w_j(\cdot,0) w j ( ⋅ , 0 ) のトレースはH 1 / 2 ( R d ) H^{1/2}(\R^d) H 1/2 ( R d ) に属する。このトレースと鉛直方向の端点値は一致する。実際、滑らかな関数では両者が一致し、全空間での滑らかな近似と、上半筒における§E15.12 定理 2.2 の連続性により一致が保存される。§E15.12 定理 2.2 のグラフ座標における端点表示から、その値は( χ j T u ) ∘ γ j (\chi_jTu)\circ\gamma_j ( χ j T u ) ∘ γ j である。局所ノルムの同値性によって
∥ T u ∥ H 1 / 2 ( Γ ) ≤ C ∥ u ∥ H 1 ( Ω ) \|Tu\|_{H^{1/2}(\Gamma)}\leq C\|u\|_{H^1(\Omega)} ∥ T u ∥ H 1/2 ( Γ ) ≤ C ∥ u ∥ H 1 ( Ω ) を得る。
g ∈ H 1 / 2 ( Γ ) g\in H^{1/2}(\Gamma) g ∈ H 1/2 ( Γ ) に対して、§E15.13 定理 6.1 の有界線形右逆をS : H 1 / 2 ( R d ) → H 1 ( R n ) S:H^{1/2}(\R^d)\to H^1(\R^n) S : H 1/2 ( R d ) → H 1 ( R n ) とする。各j j j について、η j ∈ C c ∞ ( B j × ( − b j , b j ) ) \eta_j\in C_c^\infty(B_j\times(-b_j,b_j)) η j ∈ C c ∞ ( B j × ( − b j , b j )) を、γ j − 1 ( K j ) × { 0 } \gamma_j^{-1}(K_j)\times\{0\} γ j − 1 ( K j ) × { 0 } の近傍で1 1 1 となるように固定する。h j h_j h j に
V j = η j S h j V_j=\eta_j S h_j V j = η j S h j を対応させる。V j V_j V j の超平面トレースはh j h_j h j であり、∥ V j ∥ H 1 ( R n ) ≤ C j ∥ h j ∥ H 1 / 2 ( R d ) \|V_j\|_{H^1(\R^n)}\leq C_j\|h_j\|_{H^{1/2}(\R^d)} ∥ V j ∥ H 1 ( R n ) ≤ C j ∥ h j ∥ H 1/2 ( R d ) である。V j V_j V j をt > 0 t>0 t > 0 に制限し、Φ j − 1 \Phi_j^{-1} Φ j − 1 と合成してΩ ∩ U j \Omega\cap U_j Ω ∩ U j 上の関数とした後、Ω ∖ U j \Omega\setminus U_j Ω ∖ U j で零としたものをR j g R_jg R j g とおく。V j V_j V j は筒の側面と上面から正の距離を持つ台をもつので、§E15.9 補題 1.2 と先ほどの零延長の議論により
R j g ∈ H 1 ( Ω ) , ∥ R j g ∥ H 1 ( Ω ) ≤ C j ∥ h j ∥ H 1 / 2 ( R d ) R_jg\in H^1(\Omega),\qquad
\|R_jg\|_{H^1(\Omega)}\leq C_j\|h_j\|_{H^{1/2}(\R^d)} R j g ∈ H 1 ( Ω ) , ∥ R j g ∥ H 1 ( Ω ) ≤ C j ∥ h j ∥ H 1/2 ( R d ) である。鉛直方向の端点表示からT R j g = χ j g TR_jg=\chi_jg T R j g = χ j g を得る。したがって
R g = ∑ j = 1 N R j g Rg=\sum_{j=1}^N R_jg R g = j = 1 ∑ N R j g は有界線形作用素であり、T R g = ∑ j χ j g = g TRg=\sum_j\chi_jg=g T R g = ∑ j χ j g = g を満たす。
n = 1 n=1 n = 1 では、Ω \Omega Ω は互いに端点を共有しない有限個の有界開区間( a j , b j ) (a_j,b_j) ( a j , b j ) の和である。§E15.12 定理 2.2 により端点値への写像は有界である。各区間で
( R g ) ( x ) = b j − x b j − a j g ( a j ) + x − a j b j − a j g ( b j ) (Rg)(x)=\frac{b_j-x}{b_j-a_j}g(a_j)
+\frac{x-a_j}{b_j-a_j}g(b_j) ( R g ) ( x ) = b j − a j b j − x g ( a j ) + b j − a j x − a j g ( b j ) と定めると、T R g = g TRg=g T R g = g である。関数と導関数の二乗を区間上で積分すれば、
∥ R g ∥ H 1 ( Ω ) 2 ≤ ∑ j ( 2 ( b j − a j ) + 2 b j − a j ) ( ∣ g ( a j ) ∣ 2 + ∣ g ( b j ) ∣ 2 ) \|Rg\|_{H^1(\Omega)}^2
\leq\sum_j\left(2(b_j-a_j)+\frac{2}{b_j-a_j}\right)
\bigl(|g(a_j)|^2+|g(b_j)|^2\bigr) ∥ R g ∥ H 1 ( Ω ) 2 ≤ j ∑ ( 2 ( b j − a j ) + b j − a j 2 ) ( ∣ g ( a j ) ∣ 2 + ∣ g ( b j ) ∣ 2 ) となり、有界性が従う。すべてのn ≥ 1 n\geq1 n ≥ 1 で、§E15.12 定理 3.3 によりker T = H 0 1 ( Ω ) \ker T=H^1_0(\Omega) ker T = H 0 1 ( Ω ) である。▨
3 円周の境界値と調和な持ち上げ
例 3.1. D = { x ∈ R 2 : ∣ x ∣ < 1 } D=\{x\in\R^2:|x|<1\} D = { x ∈ R 2 : ∣ x ∣ < 1 } とし、g ∈ L 2 ( ∂ D ) g\in L^2(\partial D) g ∈ L 2 ( ∂ D ) の Fourier 係数を
c k = 1 2 π ∫ 0 2 π g ( e i θ ) e − i k θ d θ ( k ∈ Z ) c_k=\frac1{2\pi}\int_0^{2\pi}g(e^{i\theta})e^{-ik\theta}\,d\theta
\quad(k\in\Z) c k = 2 π 1 ∫ 0 2 π g ( e i θ ) e − ik θ d θ ( k ∈ Z ) とする。このとき
g ∈ H 1 / 2 ( ∂ D ) ⟺ ∑ k ∈ Z ( 1 + ∣ k ∣ ) ∣ c k ∣ 2 < ∞ . g\in H^{1/2}(\partial D)
\quad\Longleftrightarrow\quad
\sum_{k\in\Z}(1+|k|)|c_k|^2<\infty. g ∈ H 1/2 ( ∂ D ) ⟺ k ∈ Z ∑ ( 1 + ∣ k ∣ ) ∣ c k ∣ 2 < ∞. 実際、θ = 2 π t \theta=2\pi t θ = 2 π t として§E14.17 命題 1.2 を適用すると、
∫ 0 2 π ∣ g ( e i θ ) ∣ 2 d θ = 2 π ∑ k ∈ Z ∣ c k ∣ 2 , \int_0^{2\pi}|g(e^{i\theta})|^2\,d\theta
=2\pi\sum_{k\in\Z}|c_k|^2, ∫ 0 2 π ∣ g ( e i θ ) ∣ 2 d θ = 2 π k ∈ Z ∑ ∣ c k ∣ 2 , および、各h ∈ R h\in\R h ∈ R について
∫ 0 2 π ∣ g ( e i ( θ + h ) ) − g ( e i θ ) ∣ 2 d θ = 2 π ∑ k ∈ Z ∣ c k ∣ 2 ∣ e i k h − 1 ∣ 2 \int_0^{2\pi}|g(e^{i(\theta+h)})-g(e^{i\theta})|^2\,d\theta
=2\pi\sum_{k\in\Z}|c_k|^2|e^{ikh}-1|^2 ∫ 0 2 π ∣ g ( e i ( θ + h ) ) − g ( e i θ ) ∣ 2 d θ = 2 π k ∈ Z ∑ ∣ c k ∣ 2 ∣ e ik h − 1 ∣ 2 を得る。円周の弦の長さは∣ e i h − 1 ∣ = 2 ∣ sin ( h / 2 ) ∣ |e^{ih}-1|=2|\sin(h/2)| ∣ e ih − 1∣ = 2∣ sin ( h /2 ) ∣ であり、∣ h ∣ ≤ π |h|\leq\pi ∣ h ∣ ≤ π では2 ∣ h ∣ / π ≤ ∣ e i h − 1 ∣ ≤ ∣ h ∣ 2|h|/\pi\leq|e^{ih}-1|\leq|h| 2∣ h ∣/ π ≤ ∣ e ih − 1∣ ≤ ∣ h ∣ である。したがって、境界差分ノルムは
[ g ] 1 / 2 , ∂ D 2 ≍ 2 π ∑ k ∈ Z ∣ c k ∣ 2 ∫ − π π ∣ e i k h − 1 ∣ 2 ∣ h ∣ 2 d h [g]_{1/2,\partial D}^2
\asymp 2\pi\sum_{k\in\Z}|c_k|^2
\int_{-\pi}^{\pi}\frac{|e^{ikh}-1|^2}{|h|^2}\,dh [ g ] 1/2 , ∂ D 2 ≍ 2 π k ∈ Z ∑ ∣ c k ∣ 2 ∫ − π π ∣ h ∣ 2 ∣ e ik h − 1 ∣ 2 d h と評価される。和と積分の交換は非負関数に対する Tonelli の定理による。k ≠ 0 k\ne0 k = 0 について、変数変換q = ∣ k ∣ h q=|k|h q = ∣ k ∣ h により
∫ − π π ∣ e i k h − 1 ∣ 2 ∣ h ∣ 2 d h = ∣ k ∣ ∫ − ∣ k ∣ π ∣ k ∣ π ∣ e i q − 1 ∣ 2 q 2 d q ≍ ∣ k ∣ \int_{-\pi}^{\pi}\frac{|e^{ikh}-1|^2}{|h|^2}\,dh
=|k|\int_{-|k|\pi}^{|k|\pi}\frac{|e^{iq}-1|^2}{q^2}\,dq
\asymp |k| ∫ − π π ∣ h ∣ 2 ∣ e ik h − 1 ∣ 2 d h = ∣ k ∣ ∫ − ∣ k ∣ π ∣ k ∣ π q 2 ∣ e i q − 1 ∣ 2 d q ≍ ∣ k ∣ である。最後の積分は、[ − 1 , 1 ] [-1,1] [ − 1 , 1 ] 上の正の積分で下から評価され、∣ e i q − 1 ∣ ≤ min { ∣ q ∣ , 2 } |e^{iq}-1|\leq\min\{|q|,2\} ∣ e i q − 1∣ ≤ min { ∣ q ∣ , 2 } によって全実数上の有限な積分で上から評価される。k = 0 k=0 k = 0 の項は零であるから、所要の同値性が従う。
c k = 1 / k c_k=1/k c k = 1/ k (k ≥ 1 k\geq1 k ≥ 1 )、c k = 0 c_k=0 c k = 0 (k ≤ 0 k\leq0 k ≤ 0 )とする。§E14.17 命題 1.2 により、これらを係数にもつL 2 ( ∂ D ) L^2(\partial D) L 2 ( ∂ D ) の関数が存在する。しかし∑ k ≥ 1 k ∣ c k ∣ 2 = ∑ k ≥ 1 1 / k = ∞ \sum_{k\geq1}k|c_k|^2=\sum_{k\geq1}1/k=\infty ∑ k ≥ 1 k ∣ c k ∣ 2 = ∑ k ≥ 1 1/ k = ∞ であるから、g ∉ H 1 / 2 ( ∂ D ) g\notin H^{1/2}(\partial D) g ∈ / H 1/2 ( ∂ D ) である。定理 2.1 により、このg g g はH 1 ( D ) H^1(D) H 1 ( D ) の関数のトレースではない。
例 3.2. D = { x ∈ R 2 : ∣ x ∣ < 1 } D=\{x\in\R^2:|x|<1\} D = { x ∈ R 2 : ∣ x ∣ < 1 } 、k ∈ Z k\in\Z k ∈ Z とする。このとき、境界値e i k θ e^{ik\theta} e ik θ の調和な持ち上げは
u k ( r , θ ) = r ∣ k ∣ e i k θ u_k(r,\theta)=r^{|k|}e^{ik\theta} u k ( r , θ ) = r ∣ k ∣ e ik θ で与えられる。実際、k > 0 k>0 k > 0 ではu k ( x ) = ( x 1 + i x 2 ) k u_k(x)= (x_1+ix_2)^k u k ( x ) = ( x 1 + i x 2 ) k 、k < 0 k<0 k < 0 ではu k ( x ) = ( x 1 − i x 2 ) ∣ k ∣ u_k(x)=(x_1-ix_2)^{|k|} u k ( x ) = ( x 1 − i x 2 ) ∣ k ∣ であり、直接微分するとΔ u k = 0 \Delta u_k=0 Δ u k = 0 である。k = 0 k=0 k = 0 ではu 0 = 1 u_0=1 u 0 = 1 である。いずれも閉円板上で滑らかであり、指定したトレースをもつ。
k ≠ 0 k\ne0 k = 0 についてm = ∣ k ∣ m=|k| m = ∣ k ∣ とおくと、
∫ D ∣ ∇ u k ∣ 2 d x = ∫ 0 2 π ∫ 0 1 ( ∣ ∂ r u k ∣ 2 + r − 2 ∣ ∂ θ u k ∣ 2 ) r d r d θ = 2 π ∫ 0 1 2 m 2 r 2 m − 1 d r = 2 π ∣ k ∣ . \begin{aligned}
\int_D|\nabla u_k|^2\,dx
&=\int_0^{2\pi}\int_0^1
\left(|\partial_r u_k|^2+r^{-2}|\partial_\theta u_k|^2\right)r\,dr\,d\theta\\
&=2\pi\int_0^1 2m^2r^{2m-1}\,dr
=2\pi |k|.
\end{aligned} ∫ D ∣∇ u k ∣ 2 d x = ∫ 0 2 π ∫ 0 1 ( ∣ ∂ r u k ∣ 2 + r − 2 ∣ ∂ θ u k ∣ 2 ) r d r d θ = 2 π ∫ 0 1 2 m 2 r 2 m − 1 d r = 2 π ∣ k ∣. k = 0 k=0 k = 0 の勾配エネルギーは零である。また、すべてのk ∈ Z k\in\Z k ∈ Z について
∫ D ∣ u k ∣ 2 d x = π ∣ k ∣ + 1 . \int_D|u_k|^2\,dx=\frac{\pi}{|k|+1}. ∫ D ∣ u k ∣ 2 d x = ∣ k ∣ + 1 π .
4 弱い法線流束
定義 4.1. Ω ⊆ R n \Omega\subseteq\R^n Ω ⊆ R n を有界 Lipschitz 開集合とする。H 1 / 2 ( ∂ Ω ) H^{1/2}(\partial\Omega) H 1/2 ( ∂ Ω ) 上の連続な反線形汎関数の空間を 負の半次数の境界 Sobolev 空間 (boundary Sobolev space of order minus one half ) といい、H − 1 / 2 ( ∂ Ω ) H^{-1/2}(\partial\Omega) H − 1/2 ( ∂ Ω ) と書く。λ ∈ H − 1 / 2 ( ∂ Ω ) \lambda\in H^{-1/2}(\partial\Omega) λ ∈ H − 1/2 ( ∂ Ω ) とg ∈ H 1 / 2 ( ∂ Ω ) g\in H^{1/2}(\partial\Omega) g ∈ H 1/2 ( ∂ Ω ) に対して
⟨ λ , g ⟩ = λ ( g ) , ∥ λ ∥ H − 1 / 2 = sup ∥ g ∥ H 1 / 2 ≤ 1 ∣ ⟨ λ , g ⟩ ∣ \langle\lambda,g\rangle=\lambda(g),\qquad
\|\lambda\|_{H^{-1/2}}=\sup_{\|g\|_{H^{1/2}}\leq1}|\langle\lambda,g\rangle| ⟨ λ , g ⟩ = λ ( g ) , ∥ λ ∥ H − 1/2 = ∥ g ∥ H 1/2 ≤ 1 sup ∣ ⟨ λ , g ⟩ ∣ と定める。対合はλ \lambda λ について線形、g g g について反線形である。q ∈ L 2 ( ∂ Ω ) q\in L^2(\partial\Omega) q ∈ L 2 ( ∂ Ω ) は、⟨ q , g ⟩ = ∫ ∂ Ω q g ‾ d σ \langle q,g\rangle=\int_{\partial\Omega}q\overline g\,d\sigma ⟨ q , g ⟩ = ∫ ∂ Ω q g d σ によってこの反双対の元を定める。
超関数は試験関数の共役を入れない複素線形双対とする。F ∈ L 2 ( Ω ; C n ) F\in L^2(\Omega;\C^n) F ∈ L 2 ( Ω ; C n ) の超関数としての発散を
⟨ div F , ϕ ⟩ = − ∫ Ω F ⋅ ∇ ϕ d x ( ϕ ∈ C c ∞ ( Ω ) ) \langle\operatorname{div}F,\phi\rangle
=-\int_\Omega F\cdot\nabla\phi\,dx
\quad(\phi\in C_c^\infty(\Omega)) ⟨ div F , ϕ ⟩ = − ∫ Ω F ⋅ ∇ ϕ d x ( ϕ ∈ C c ∞ ( Ω )) で定め、
H ( div ; Ω ) = { F ∈ L 2 ( Ω ; C n ) : div F ∈ L 2 ( Ω ) } , ∥ F ∥ H ( div ) 2 = ∥ F ∥ 2 2 + ∥ div F ∥ 2 2 H(\operatorname{div};\Omega)
=\{F\in L^2(\Omega;\C^n):\operatorname{div}F\in L^2(\Omega)\},
\qquad
\|F\|_{H(\operatorname{div})}^2
=\|F\|_2^2+\|\operatorname{div}F\|_2^2 H ( div ; Ω ) = { F ∈ L 2 ( Ω ; C n ) : div F ∈ L 2 ( Ω )} , ∥ F ∥ H ( div ) 2 = ∥ F ∥ 2 2 + ∥ div F ∥ 2 2 とおき、H ( div ; Ω ) H(\operatorname{div};\Omega) H ( div ; Ω ) を H ( div ) H(\operatorname{div}) H ( div ) 空間 (H(div) space ) という。
定理 4.2. Ω ⊆ R n \Omega\subseteq\R^n Ω ⊆ R n を有界 Lipschitz 開集合とし、R : H 1 / 2 ( ∂ Ω ) → H 1 ( Ω ) R:H^{1/2}(\partial\Omega)\to H^1(\Omega) R : H 1/2 ( ∂ Ω ) → H 1 ( Ω ) をトレースの有界線形右逆とする。F ∈ H ( div ; Ω ) F\in H(\operatorname{div};\Omega) F ∈ H ( div ; Ω ) とする。このとき、
⟨ γ ν F , g ⟩ = ∫ Ω ( F ⋅ ∇ R g ‾ + div F R g ‾ ) d x ( g ∈ H 1 / 2 ( ∂ Ω ) ) \langle\gamma_\nu F,g\rangle
=\int_\Omega\left(F\cdot\overline{\nabla Rg}
+\operatorname{div}F\,\overline{Rg}\right)dx
\quad(g\in H^{1/2}(\partial\Omega)) ⟨ γ ν F , g ⟩ = ∫ Ω ( F ⋅ ∇ R g + div F R g ) d x ( g ∈ H 1/2 ( ∂ Ω )) と定めると、この値は右逆R R R の選択に依存しない。γ ν F ∈ H − 1 / 2 ( ∂ Ω ) \gamma_\nu F\in H^{-1/2}(\partial\Omega) γ ν F ∈ H − 1/2 ( ∂ Ω ) であり、F ↦ γ ν F F\mapsto\gamma_\nu F F ↦ γ ν F は有界線形作用素である。このγ ν F \gamma_\nu F γ ν F をF F F の 弱い法線流束 (weak normal trace ) という。
証明. w ∈ H 0 1 ( Ω ) w\in H^1_0(\Omega) w ∈ H 0 1 ( Ω ) とし、w ℓ ∈ C c ∞ ( Ω ) w_\ell\in C_c^\infty(\Omega) w ℓ ∈ C c ∞ ( Ω ) をw ℓ → w w_\ell\to w w ℓ → w がH 1 H^1 H 1 で成り立つようにとる。発散の定義にw ℓ ‾ \overline{w_\ell} w ℓ を代入して極限をとると、
∫ Ω ( F ⋅ ∇ w ‾ + div F w ‾ ) d x = 0 \int_\Omega\left(F\cdot\overline{\nabla w}
+\operatorname{div}F\,\overline w\right)dx=0 ∫ Ω ( F ⋅ ∇ w + div F w ) d x = 0 を得る。二つの持ち上げR 1 g , R 2 g R_1g,R_2g R 1 g , R 2 g の差は零トレースをもち、定理 2.1 によりH 0 1 ( Ω ) H^1_0(\Omega) H 0 1 ( Ω ) に属する。したがって、上の等式をw = R 1 g − R 2 g w=R_1g-R_2g w = R 1 g − R 2 g に適用すれば独立性が従う。
積空間で Cauchy–Schwarz の不等式を用いると、
∣ ⟨ γ ν F , g ⟩ ∣ ≤ ∥ F ∥ H ( div ) ∥ R g ∥ H 1 ( Ω ) ≤ ∥ R ∥ ∥ F ∥ H ( div ) ∥ g ∥ H 1 / 2 ( ∂ Ω ) . |\langle\gamma_\nu F,g\rangle|
\leq\|F\|_{H(\operatorname{div})}\|Rg\|_{H^1(\Omega)}
\leq\|R\|\|F\|_{H(\operatorname{div})}\|g\|_{H^{1/2}(\partial\Omega)}. ∣ ⟨ γ ν F , g ⟩ ∣ ≤ ∥ F ∥ H ( div ) ∥ R g ∥ H 1 ( Ω ) ≤ ∥ R ∥∥ F ∥ H ( div ) ∥ g ∥ H 1/2 ( ∂ Ω ) . 定義式の積分はg g g について反線形、F F F について線形であるから、この評価によりγ ν : H ( div ; Ω ) → H − 1 / 2 ( ∂ Ω ) \gamma_\nu:H(\operatorname{div};\Omega)\to H^{-1/2}(\partial\Omega) γ ν : H ( div ; Ω ) → H − 1/2 ( ∂ Ω ) は有界線形作用素である。▨
証明. v − R T v ∈ H 0 1 ( Ω ) v-RTv\in H^1_0(\Omega) v − R T v ∈ H 0 1 ( Ω ) であるから、定理 4.2 の証明における零積分の等式を適用して
∫ Ω ( F ⋅ ∇ v ‾ + div F v ‾ ) d x = ∫ Ω ( F ⋅ ∇ R T v ‾ + div F R T v ‾ ) d x = ⟨ γ ν F , T v ⟩ \int_\Omega\left(F\cdot\overline{\nabla v}
+\operatorname{div}F\,\overline v\right)dx
=\int_\Omega\left(F\cdot\overline{\nabla RTv}
+\operatorname{div}F\,\overline{RTv}\right)dx
=\langle\gamma_\nu F,Tv\rangle ∫ Ω ( F ⋅ ∇ v + div F v ) d x = ∫ Ω ( F ⋅ ∇ R T v + div F R T v ) d x = ⟨ γ ν F , T v ⟩ を得る。
F F F がΩ ‾ \overline\Omega Ω の開近傍でC 1 C^1 C 1 級であるとする。任意のv ∈ H 1 ( Ω ) v\in H^1(\Omega) v ∈ H 1 ( Ω ) に対して、§E15.12 命題 3.1 にp = 2 p=2 p = 2 、u = v ‾ u=\overline v u = v 、ψ = F i \psi=F_i ψ = F i を代入し、i = 1 , … , n i=1,\ldots,n i = 1 , … , n について加える。T v ‾ = T v ‾ T\overline v=\overline{Tv} T v = T v であるから、
∫ Ω ( F ⋅ ∇ v ‾ + div F v ‾ ) d x = ∫ ∂ Ω ( F ⋅ ν ) T v ‾ d σ \int_\Omega\left(F\cdot\overline{\nabla v}
+\operatorname{div}F\,\overline v\right)dx
=\int_{\partial\Omega}(F\cdot\nu)\overline{Tv}\,d\sigma ∫ Ω ( F ⋅ ∇ v + div F v ) d x = ∫ ∂ Ω ( F ⋅ ν ) T v d σ を得る。T T T の全射性から、γ ν F \gamma_\nu F γ ν F とF ⋅ ν F\cdot\nu F ⋅ ν がすべての境界データに対して一致する。▨
系 4.4. Ω ⊆ R n \Omega\subseteq\R^n Ω ⊆ R n を有界 Lipschitz 開集合とし、u ∈ H 1 ( Ω ) u\in H^1(\Omega) u ∈ H 1 ( Ω ) の超関数としての Laplace 作用素Δ u \Delta u Δ u がL 2 ( Ω ) L^2(\Omega) L 2 ( Ω ) に属するとする。このとき
∂ ν u : = γ ν ( ∇ u ) ∈ H − 1 / 2 ( ∂ Ω ) \partial_\nu u:=\gamma_\nu(\nabla u)\in H^{-1/2}(\partial\Omega) ∂ ν u := γ ν ( ∇ u ) ∈ H − 1/2 ( ∂ Ω ) が定まり、すべてのv ∈ H 1 ( Ω ) v\in H^1(\Omega) v ∈ H 1 ( Ω ) に対して
∫ Ω ∇ u ⋅ ∇ v ‾ d x + ∫ Ω Δ u v ‾ d x = ⟨ ∂ ν u , T v ⟩ \int_\Omega\nabla u\cdot\overline{\nabla v}\,dx
+\int_\Omega\Delta u\,\overline v\,dx
=\langle\partial_\nu u,Tv\rangle ∫ Ω ∇ u ⋅ ∇ v d x + ∫ Ω Δ u v d x = ⟨ ∂ ν u , T v ⟩ が成り立つ。
証明. ∇ u ∈ L 2 ( Ω ; C n ) \nabla u\in L^2(\Omega;\C^n) ∇ u ∈ L 2 ( Ω ; C n ) かつdiv ( ∇ u ) = Δ u ∈ L 2 ( Ω ) \operatorname{div}(\nabla u)=\Delta u\in L^2(\Omega) div ( ∇ u ) = Δ u ∈ L 2 ( Ω ) であるから、定理 4.2 と系 4.3 をF = ∇ u F=\nabla u F = ∇ u に適用する。▨